Пути повышения мощности СО2 лазеров

Рассмотрим идеальный случай, когда мощность СО₂ лазера определяется соотношением:

P_max = (2.59)

Здесь b – квантовый к.п.д. молекулы СО₂, – концентрация этих молекул в разряде, Е₀₀₁ – энергия верхнего лазерного уровня, V – объем активной среды, t - время опус­тошения нижнего лазерного уровня. Для конкретной лазерной системы соотно­шение (2.59) определяет ее предельную выходную мощность, превзойти которую принципи­ально невозможно. Действительно, квантовый к.п.д. b = Е_изл/ Е₀₀₁ опреде­ляет пре­дельно возможное отношение излучательной энергии Е_изл к энергии верхнего лазер­ного уровня, иначе, к энергии накачки, и для данной молекулы это есть посто­янная величина. Для молекулы СО₂ b = 0,41. Величина Е₀₀₁ для молекулы CО₂ равна 0,3 эВ. В соотношении (2.59) полагают, что вся энергия накачки расходуется только на возбуждение верхнего лазерного уровня. Варьировать можно лишь тремя параметрами: концентрацией молекул СО₂, объемом разрядной области V и величиной t, которая напрямую зависит от интенсивности отвода тепла, иначе говоря, от интен­сивности охлаждения газа. В непрерывном лазере t заменяют на время t_Т отвода тепла, выделяемого в зоне разряда, во внешнюю среду.

Рассмотрим работу лазера в диффузионном режиме. Экспериментальные данные показывают, что минимальное время отвода тепла t_Т = R/u, где R – радиус трубки, u – скорость дрейфа частиц к стенкам, равно ~ 5×10^–2 с. Подставив это значение вместе с константами b и Е₀₀₁ в (2.59), получим:

P_max/V = 0,1 Вт.см³ (2.60)

Далее, V = pR²×L, где L – длина разрядного промежутка. Как показывает опыт, увеличивать радиус трубки свыше определенного предела невозможно, поскольку это ведет к увеличению времени t_Т и резкому ухудшению вывода тепла, то есть к наступ­лению перегрева газа в разрядном промежутке. Практика показывает, что предель­ный радиус разрядной трубки не может превышать 1,5 см. С учетом сказанного, уве­личивать объем разрядной области в трубке можно только за счет увеличения длины, но не поперечного сечения. Тогда предельная мощность диффузионного лазера на единицу длины равна

P_max/ L = 0,7 Вт/см ~ 70 Вт/м

Но у реальных лазеров в лучшем случае достигают примерно половину этой вели­чины. Таким образом, единственный путь повыше­ния мощности диффузного лазера – увеличивать его длину. Например, для получения мощности излуче­ния порядка 1 кВт длину разрядной части лазера необходимо сделать не менее 30 метров. В начальный период создания СО₂ лазеров было предложено «складывать» длин­ные трубки в виде колен, как схематично показано на рис. 2.14. Связь между коле­нами осуществля­ется поворотными зеркалами или призмами. Такой вари­ант сложения длинных трубок применяется и в наши дни в некоторых конструкциях непрерывных СО₂ лазеров малой и средней мощно­сти, выпускаемых промышленностью. Например, лазер мощностью 100 Вт под названием «Киль» имеет 8 колен, каж­дое из которых представляет собой трубку длиной примерно 40 см. Отдельная трубка снабжена электро­дами и питается от своего источника элек­троэнергии, то есть источник питания раз­бивается на отдельные секции по числу «колен».

Разряд

Вентилятор

Зеркало

Рис.15

Вентилятор

Теплообменники

Повышение мощности за счет интенсификации охлаждения быстрой прокачкой газа.

Поскольку диффузный режим исчер­пал свои возможности повышения удельной мощности лазера, исходный выход из тупика был най­ден на путях интенсифика­ции охлаждения газа. Пришлось отказаться от метода естественного радиального отвода тепла, не требовавшего дополнительных технических уст­ройств, и перейти к системам про­качки газа через разрядный объем вдоль оси трубки. Подобный метод получил название продольной про­качки газа. Один из вариантов по­добной системы приведен на рис. 2.15.

Проток газа через трубку в продольном (осевом) на­правлении позволяет снизить входя­щее в соотношение (2.60) время от­вода тепла t_Т по сравне­нию с диффузион­ным режимом более чем на порядок, так что t_Т ~ 10^-3 c. Соответственно возрастает удельная мощность излучения, снимаемая с единицы длины трубки, она достигает нескольких сотен ватт на метр длины. Скоро­сти потока газа вдоль оси трубки достигают 50 м/с и более.

При конструировании систем прокачки газа необходимо знать предельный энерговклад на единицу массы газа q_max, при котором тепловой режим в разряде не превысит критического уровня, то есть ~400 К. Эта величина определяется условием:

где с_р – теплоемкость газа при постоянном давлении, DТ_max – максимально допустимый прирост температуры газа, не приводящий к превышению критического уровня, h = Р_изл/Р_Е – к.п.д. лазера по вводимой мощности, равной:

P_E = j×E×S×L

P_изл – излучаемая мощность. Энерговклад на единицу массы газа определяется соотношением:

q =

где Q = r×v_пр S – массовый расход протекающего газа, v_пр= L/t_T – скорость прокачки. Необходимо выполнение следующего условия:

q =

Оценки показывают, что при продольной прокачке q _max ~700 Дж.

Поперечная прокачка. Дальнейшая интенсификация охлаждения активной среды и подъем на этой основе мощностного предела СО₂ лазеров стали возможными в результате внедрения двух принципиально новых физико-технических решений. Первое состояло в реализации идеи замены продольной прокачки газа через разрядную область на поперечную прокачку. Второе решение – одновременное введение поперечного электрического разряда. Совместное использование этих двух решений совершило революционные изменения в развитии СО₂ лазеров, и не только их. Так, вместо выглядевших архаично стеклянных разрядных трубок стали применяться разрядные камеры с большим поперечным сечением разрядной зоны, изготавливае­мые из пластмасс, стеклопластиков или металлов с внутренней футеровкой стенок. За счет увеличения поперечного сечения разрядной зоны объемы активной среды удалось увеличить, не меняя при этом существенно длины лазера. Но, конечно, при­шлось пожертвовать простотой технических решений. Пример устройства лазера с поперечными электрическим разрядом и прокачкой газа схематично показан на рис. 2.16. К разрядной камере (1) пристыковывается газодинамический тракт (3), в состав которого входит теплообменник (4), вентилятор (5) и аэродинамическая решетка (6), выравнивающая поток газа перед его вхождением в зону разряда. Поперечный поток газа и поперечный электрический разряд располагаются во взаимно перпендикуляр­ных плоскостях. Поперечная прокачка обеспечивает существенное сокращение вре­мени выноса тепла из зоны разряда и позволяет несколько поднять скорость про­качки газа, но не слишком сильно, так как возникает опасность «выдувания» разряда потоком газа. Тем не менее, оба фактора позволяют увеличить предельную мощ­ность в несколько раз по сравнению с системами продольной прокачки газа.

Устройство разрядного промежутка лазера, схематично изображенного на рис. 2.16, рассмотрим на конкретном примере. Для этого воспользуемся описанием непрерывного лазера, созданного в Новосибирском институте прикладной механики АН [7]. Вынесенная из камеры электродная система схематично изображена на рис. 2.17. Электроды выполнены из медных полированных трубок диаметром 10 мм и длиной 100 см. Трубки изнутри охлаждаются водой. Расстояние между анодом и катодом варьируется в пределах от 4 до 8 миллиметров. Падение напряжения на разрядном промежутке составляло 1 кВ. Обозначенный стрелками поток газов ограничивается выполненными из стекла дефлекторами. Рабочее давление в камере в этом конкретном случае доводилось до 50 Тор, но наиболее приемлемый интервал составлял 10 ¸ 20 Тор. Скорость потока газов – до 50 м/с

Особого внимания заслуживает факт использования в этой установке вспомога­тельного электрода (3), питавшегося от высокочастотного источника тока и создававшего в разрядном промежутке, наряду с основным разрядом, дополнительный ВЧ разряд между этим электродом и анодом (2). Вспомогательный электрод распола­гался параллельно основным электродам на удалении 2 см от катода (1). По мнению авторов разработки, ВЧ разряд (его частота равнялась 1,5 МГц) очищал поверхности медных электродов от возникавших на них окисных пленок, чем обеспечивалось стабильное горение основного разряда. Одновременно создавалась возможность подъема давления газа в камере, которое от 2 до 5 раз превышало предельное дав­ление в классическом тлеющем разряде. На самом деле, как станет ясно из дальнейшего обсуждения проблемы повышения удельной мощности СО₂ лазера, ВЧ разряд содействовал возникновению нового типа тлеющего разряда, отличного от классического. Максимальная выходная мощность приводимого в качестве примера непрерывного лазера достигала 800 Вт.

Системам с поперечной прокачкой газа наряду с наглядными достоинствами присущи и определенные недостатки. Прежде всего, необходимо учитывать смещение зоны разряда в потоке газа от центрального положения, так называемый эффект «выдувания». Например, при скорости потока 50 м/с смещение разряда по потоку составляет 3 см. Поскольку величина смещения зависит от скорости потока, то изме­нение этой скорости в процессе работы лазера приводит к его разъюстировке (зер­кала остаются неподвижными). Далее, при создании такого лазера необходимо обес­печивать достаточно высокие требования к газодинамике прокачного тракта, поскольку неравномерности газового потока по сечению и во времени нежелательны. Наконец, в режиме непрерывной генерации стабильность разряда обеспечивается в довольно узком интервале давлений газа, силы разрядного тока, соотношения компонентов газовой смеси. Поэтому применяются различные способы повышения стабильной работы таких лазеров. Один из примеров – использование вспомо-гательного ВЧ – разряда. Известны и другие способы, применение которых не всегда дает желаемые результаты. Например, для стабилизации пробовали использовать магнитное поле, ориентированное так, чтобы движение электронов и ионов под его воздействием было направлено навстречу потоку газа. Тогда подбором напряженности магнитного поля в принципе можно скомпенсировать снос заряженных частиц. Если скорость сноса u, то баланс процесса определяется соотношением:

u = m_em_i× (2.61)

Например, в разряде с составом рабочей смеси СО₂: N₂: He = 1: 1,2: 4 при общем давлении р» 19 Тор и Е/р» 18 В/(см×Тор) из соотношения (2.61) получают: /u = 10 Гс×с/м.

Применение поперечной прокачки газа позволило до конца использовать возможность повышения предельной мощности СО₂ лазеров за счет интенсификации охлаждения разрядного промежутка. Дальнейшее движение в этом направлении предполагает, согласно (2.60), повышение концентрации молекул СО₂, то есть повышение общего давления газа. Но, как следует из графика рис.2.6, при превышении верхнего предела давления в 10 Тор классический тлеющий разряд переходит в дуговой разряд. Казалось бы, этот путь неприемлем. Но выход из положения удалось найти. Для этого нужно было понять, почему увеличение давления газа вызывает переход тлеющего разряда в дуговой.

В разряде одновременно идут два процесса – ионизация нейтрального газа и возбуждение атомов (молекул) за счет их соударений с электронами. Процесс ионизации требует более высоких затрат энергии, чем процесс возбуждения. А в том случае, когда мы стремимся к получению преимущественного возбуждения верхнего лазерного уровня молекулы СО₂, что достигается через возбуждение молекулы азота при энергии электронов ~ 2 эВ, то необходимо при этом обеспечить незаселенность нижних уровней, то есть сохранять температуру газа ниже 400 К. При увеличении давления резко возрастает число актов рекомбинации и, соответственно, необходимо увеличить число актов ионизации, без чего разряд не сможет существовать. Приходится увеличивать напряженность электрического поля и разрядный ток. Тогда резко возрастает нагрев электродов и вместо автоэлектронной эмиссии возникает термоэмиссия, сопровождающаяся переходом тлеющего разряда в дуговой. Конечно, одновременно увеличивается и джоулево тепло, выделяющееся в разряде, но с этим мы знаем, как бороться. Возникает дилемма: чтобы возбуждать при высоком давлении верхний лазерный уровень, оставляя незаселенными нижние уровни, необходимы более низкие значения напряженности электрического поля, чем этого требуют процессы ионизации, при которых разряд сможет существовать. Но при соответствующих этим требованиям значениях напряженности поля тлеющий разряд перейдет в дуговой. Это противоречие можно разрешить, если разделить в разряде процессы ионизации и возбуждения верхнего лазерного уровня. Для реализации такой идеи необходимо было найти независимый источник ионизации газа в разрядном промежутке, после чего осуществить в нем протекание основного разряда уже при сравнительно низких значениях напряженности внешнего поля.

Ионизация разрядного промежутка с применением внешнего источника ионизации. Внешний источник ионизации может представлять собой:

· вспомогательный разряд, параметры которого обеспечивают протекание в разрядном промежутке ионизационных процессов достаточной интенсивности;

· источник высокоэнергетичных ультрафиолетовых, рентгеновских или g- излуче­ний, способных ионизовать активную лазерную среду;

· источник вводимых в разрядный промежуток быстрых электронов, производящих первичную ионизацию;

· источник других быстрых корпускулярных частиц, таких как протоны или нейтроны.

Современная техника мощных лазеров использует из этого перечня два типа источников ионизации: вспомогательный разряд и поток быстрых электронов.

Непрерывный СО₂ лазер с вспомогательным разрядом. Один из вариантов такой системы был рассмотрен выше – это СО₂ лазер с вспомогательным ВЧ разрядом. Роль ВЧ разряда состояла в осуществлении дополнительной ионизации активной среды, что позволило несколько снизить необходимую напряженность электрического поля основного разряда и за этот счет поднять в несколько раз давление газа по сравнению с классическим тлеющим разрядом.

При наличии внешней ионизации могут реализовываться две разновидности разряда. Одна из них называется несамостоятельным разрядом, непрерывный источник ионизует среду, в которой протекает основной разряд. Но как только прекращается внешняя ионизация, так тут же прекращается горение основного разряда, он самостоятельно существовать не может. Вторая разновидность – самостоятельный разряд, он может существовать и без непрерывной вспомогательной ионизации, роль которой ограничивается созданием только начальной ионизации и последующей помощи в некотором снижении напряженности поля.

Создание непрерывных СО₂ лазеров с ионизацией вспомогательным разрядом оказалось весьма непростой задачей. Дело в том, что увеличить мощность вспомогательного разряда можно только до определенного предела, выше которого этот раз­ряд начинает выделять слишком много тепла. Кроме того, вспомогательный разряд должен быть диффузного типа, что существенно уменьшает возможности выбора. Чаще всего использу­ется вспомогательный ВЧ разряд. Наилучшие резуль­таты, дос­тигнутые в таком варианте, позволили поднять давление наполняющего газа примерно до 150 Тор. Такие лазеры с предельной мощностью до 10 кВт широко исполь­зуют в лазерных станках для обработки материалов.

Ионизация активной среды пучком быстрых электронов. Источником быст­рых электронов служит электронная пушка, схематично изображенная на рис. 2.18. Мощный подогревной катод, источник быстрых электронов, находится под потенциа­лом от -250 до -400 кВ. Анод, выполняющий одновременно и функцию пере­ходного узла от пушки к лазерной камере, представляет собой решетку из нержавеющей стали, герметично закрытую достаточно тонкой, но прочной алюминиевой, титановой или другой подобной фольгой толщиной от 20 до 40 мкм. Пространство между като­дом и анодом откачено до высокого вакуума при остаточном давлении воздуха не выше 10^–6 Тор. Такое давление поддерживается непре­рывной работой откачной системы, состоящей из форва­куумного и одного – двух мощных диффузионных насо­сов. Пушка пристыковывается к лазерной разряд­ной камере, отделяясь от нее анодной решеткой плотно закрытой фольгой. Эмити­руемые катодом пушки элек­троны ускоряются в промежутке катод – анод и через отверстия в анодной решетке и фольгу проникают в разрядную камеру. Энергия электронов достигает нескольких сотен эВ, они ионизуют активную среду. Приложен­ного к электродам напряжения недостаточно для инициации и поддержания разряда без внешней ионизации, это типичный несамостоятельный разряд. Напряженность поля составляет 2 – 4 кВ/см вместо 8 – 10 кВ/см в самостоятельном разряде. Такие параметры создают наиболее благоприятные условия для избирательного заселе­ния верхнего лазерного уровня. Лазеры, использующие пучок быстрых электронов в качестве источника ионизации, иногда в технической литературе называют электроионизационными.

Достоинства непрерывного электроионизационного лазера: 1) возможность организации тлеющего разряда при давлениях активной смеси порядка 1 атм. (в условиях непрерывной прокачки газа); 2) возможность задействования больших объемов активной среды за счет существенного увеличения поперечного сечения разрядной области (межэлектродное расстояние достигает 50 см); 3) возможность модулировать разряд путем модуляции электронного пучка; 4) возможность работать при оптимальных с точки зрения накачки параметрах несамостоятельного разряда.

Недостатки электроионизационных лазеров: 1) сравнительно короткий срок службы электронной пушки, что связано с выходом из строя подогревного катода;

2) уязвимость фольгового узла, возможности электрического пробоя фольги, что ведет к попаданию газа из камеры в пушку и сопровождается полным ее выходом из строя; 3) применение сложных высокопроизводительных вакуумных насосов создает еще один узел потенциального отказа техники; 4) необходимость использования мощной биологической защиты персонала от рентгеновского излучения, сопровождающего работу установки; 5) сложность эксплуатации и настройки всей системы, высокая стоимость, как самой установки, так и ее эксплуатации. Перечисленные недостатки не позволяют широко использовать электроиониза-ционные лазеры в промышленных целях.

Дата добавления: 2015-10-16